基于模糊PID控制器的葉菜溫室測控系統設計

盛平+朱慶夫

摘要：溫室環境是一個復雜多變的被控對象，無法建立準確的數學模型。江浙地區四季氣候變化明顯，而現有的控制系統控制模式固定，難以取得理想的控制效果。通過對葉菜生長環境的研究，設計了基于模糊PID控制器的葉菜溫室測控系統，用于實現對葉菜溫室環境的自動調節。該控制器運用模糊推理對PID控制器的3個參數進行調整，提高了系統的自適應性能。試驗結果表明：系統性能穩定、響應時間短、超調小，達到了預期控制效果。

關鍵詞：溫室環境；模糊算法；PID控制器；自適應

DOIDOI：10.11907/rjdk.171197

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2017）006-0100-04

0 引言

隨著計算機和網絡技術的快速發展，溫室環境的控制正在向智能化、自動化的方向邁進，利用物聯網技術對溫室環境進行有效調控可以改善農業生態，提高農作物質量和產量。但溫室環境是一個多變量、強耦合、大滯后且時變的被控對象[1]，且江浙地區四季氣候變化明顯，夏季炎熱濕潤，冬季寒冷干燥，晝夜溫差及濕度差較大，常規控制方法難以取得理想效果，而現有控制系統控制模式固定，不能適應環境變化，因此建立一套適應性強、響應快、穩定性好的智能溫室測控系統是現代精細農業的迫切需求。

目前，已有的控制方案中采用傳統PID控制來實現，但PID參數恒定，無法適應非線性系統的控制需求。因此，本文將模糊理論與PID控制相結合，運用模糊推理對PID控制器的3個參數進行調整，提高了系統的自適應性和靈活性，改善了系統動態性能。

1 模糊PID控制器原理

1.1 模糊控制原理

在傳統控制領域里，對系統的動態信息描述越精確，控制效果越好，然而對于復雜系統，由于變量太多，往往無法精確表示系統的動態信息，這時可以考慮使用模糊控制來解決。模糊控制是一種非線性控制方法，其不依賴于被控對象的精確數學模型，而是通過大量的實際操作數據及專家經驗總結出控制規則，用自然語言描述控制策略，模擬人對事物的決策實現對系統的控制。溫室環境復雜多變且干擾因子眾多，常規方法難以取得理想的控制效果，所以使用模糊控制實現對溫室環境的調控比較合適。

在模糊控制系統中，模糊控制器設計是其核心部分，控制器結構如圖1所示，主要由4個部分構成：模糊化處理、規則庫、模糊推理及解模糊[2]。

1.2 PID控制器原理

在工程實際中，PID控制因其簡單、可靠性高及魯棒性好等特點被廣泛應用于工業及設施農業的過程控制中，并取得較理想的控制效果。所謂PID控制即：比例（P）-積分（I）-微分（D）控制[3]，結構圖如圖2所示，其控制算式如下：

u（t）=Kp[e（t）+1/Ki∫t0e（t）dt+Kd*de（t）/dt]（1）

式（1）中，Kp、Ki和Kd分別為比例、積分和微分系數，e（t） = r（t） - c（t），r（t）為設定值，c（t）為實際測量值，e（t）為控制器的輸入，它是設定值與實際測量值的偏差，u（t）為控制器輸出。PID控制器中Kp、Ki和Kd的調節會對系統的動靜態性能產生較大影響，3個參數的作用具體如下：（1）比例控制Kp：使系統反應靈敏，可以迅速調節系統誤差；（2）積分控制Ki：系統在進入穩態后存在穩態誤差，Ki用來消除穩態誤差；（3）微分控制Kd：提前預測系統誤差變化的趨勢，使誤差提前為零，Kd是一種超前調節。

2 溫室測控系統分析與設計

2.1 葉菜溫室環境因子分析

葉菜溫室環境包含因子眾多，包括環境溫度、光照強度、空氣濕度、CO2濃度、土壤水分和肥力等，這些環境因子在溫室環境中相互聯系、相互耦合，一同作用于溫室這個小氣候環境[4]。各個因子對葉菜生長的影響及調控如下：

2.1.1 溫度

環境溫度是影響葉菜干物質分配及葉片生長最重要的環境因子。若環境溫度偏低會導致葉菜生長緩慢甚至停滯，長時間低溫更容易引起低溫危害。若溫度偏高會導致呼吸消耗增加，葉菜植株積累的干物質減少，所富含的能量減少。對溫室內溫度的調控主要包括：升溫控制及降溫控制。

（1）升溫控制。當對溫室進行升溫控制時，首先關閉天窗及側窗，然后開啟內保溫膜和內循環促進溫室內空氣的流通，之后開啟暖氣、空調等設備進行升溫。

（2）降溫控制。溫室溫度調控中常用的降溫措施有：自然通風（側窗和天窗等）、人工強制通風（排風機）、開啟遮陽網（內遮陽和外遮陽）、濕簾冷風機降溫等。

2.1.2 濕度

空氣相對濕度對葉菜生長的蒸騰作用有較大影響。若空氣濕度過高，葉菜根部呼吸困難，不僅影響正常生長發育，而且容易誘發病害；若空氣濕度過低，土壤濕度也會隨之降低，可能會導致作物缺水而出現萎蔫現象。對于葉菜而言，長期處于空氣濕度較低的環境中生長時，容易導致葉菜的葉片小而厚，阻礙了葉菜的生長。對濕度的調控包括：加濕和除濕。溫室內常用加濕方法有噴霧加濕和濕簾加濕；溫室內除濕控制可以采用自然通風或強制通風，在溫室內空氣含量一定的情況下，也可采用加溫除濕來降低溫室內的空氣濕度。

2.1.3 光照

光照是作物進行光合作用的能量來源，它影響到幼苗的素質、植株的生長和產量高低。光照太強會灼傷作物，光照不足時光合作用會減弱，對溫室內光照的控制包括遮光和補光。

其中，遮光控制可以通過開啟內外遮陽網來減弱溫室內部的光照強度；補光控制在連續陰雨或者光照不足的情況下，為了促進作物生長，可以通過開啟補光燈的方式增加溫室內的光照強度。

2.1.4 CO2

CO2濃度是作物進行光合作用不可缺少的條件，它直接影響著有機物的合成。CO2濃度的控制可以通過通風換氣或者CO2發生器。

此外，環境溫濕度在一定條件下是相互耦合的，當溫度上升時濕度呈下降趨勢，溫度下降時濕度呈上升趨勢，同時空氣濕度變化又會影響環境溫度[5]，而光照變化也會對溫濕度產生影響，如當光照增強時，溫度會上升等，所以設計溫室測控系統的輸出需要考慮環境因素間的耦合作用。

2.2 模糊PID控制器設計

PID控制器在過程控制中被廣泛應用，但其參數整定是控制器設計的核心內容。常規的PID控制器使用工程整定方式，參數設定后一般固定不變，對系統運行變化的適應能力、抗干擾能力不足，所以本文采用模糊控制對PID控制器的參數Kp、Ki和Kd進行在線整定[6]，使控制器能夠及時響應系統環境的實時變化，使系統具有更強的靈活性。

溫室測控系統是一個多變量間相互耦合且時變的復雜系統，理論上來說，如果一個模糊控制系統能夠做到將所有影響溫室內環境指標的因素作為控制器的輸入，那么該控制器的輸出一定非常準確，但事實上這樣做是不現實的，因為將越多的環境變量作為輸入，環境因子之間的相互耦合關系就越多，控制系統就越復雜，控制器的規則庫就無法定義。從上文對溫室環境的分析中可看出，在眾多的環境因子中，溫度和濕度兩大因子對溫室環境的影響最為明顯，光照其次，其它如CO2等因素的控制相對單一，且耦合作用相對較小。因此，本系統在設計時綜合考慮溫室內光溫濕的測量與調控，其它因子暫不考慮。

模糊PID控制器的結構圖如圖3所示，在設計系統的輸出時，充分考慮濕度和光照的耦合作用進行綜合調控。當環境因子的調控發送沖突時，以溫度調控為先，濕度其次。

其中，r（t）為溫度設定值，c（t）為溫度實際測量值，u（t）為PID控制器的輸出，為控制溫濕度相關執行機構的變量[7]，控制器的輸入為溫度偏差e和偏差變化率ec，控制器可根據系統實際運行情況模糊推理出Kp、Ki和Kd的增量ΔKp、ΔKi和ΔKd。

根據溫室測控系統的實際情況，將e、ec、ΔKp、ΔKi和ΔKd的模糊論域劃分為5個等級：{NB、NS、ZO、PS、PB}，其含義分別為：{負大、負小、零、正小、正大}，論域范圍為[-4， 4]。兩個輸入變量e、ec及3個輸出變量ΔKp、ΔKi和ΔKd的隸屬度函數均為三角形隸屬度函數。控制規則采用“if A and B then C”的條件句式，依據模糊推理原則，總結出模糊控制規則表如表1所示。

控制器將系統運行時的溫度偏差和偏差變化率進行模糊處理后得到e和ec的模糊度，通過查詢模糊規則表得出ΔKp、ΔKi和ΔKd的模糊度，再對照模糊論域將3個參數的模糊度解模糊成具體數值，從而計算出新的Kp、Ki和Kd，最后將計算結果代入PID控制算式，計算出系統輸出量，則該輸出量即為控制溫濕度相關執行機構的變量，由該變量推導出當前的控制組合。

2.3 系統總體結構

根據系統需求，本文所設計的葉菜溫室測控系統總體結構圖如圖4所示。

系統層次結構從左至右可以分為3個部分：①傳感器、風機等硬件設備；②嵌入式網關；③上層應用（云服務與溫室管理平臺）。其中，嵌入式網關為溫室測控系統的核心部分，是連接上層軟件和底層硬件的中樞[8]。網關通過RS485串口通信采集現場傳感器、氣象站的實時數據，控制風機、水泵等現場執行設備，對環境數據進行分析過濾之后，首先在本地嵌入式數據庫sqlite中存儲，之后將數據上傳至云服務器存儲到sqlserver中。用戶也能夠通過PC或手機登錄溫室管理平臺進行實時環境數據查詢、設備控制、現場實時視頻查看及自動運行設定等。

3 系統功能模塊設計

3.1 嵌入式模塊硬件選擇

葉菜溫室環境復雜多變，干擾因子眾多，尤其夏季很可能長期處于高溫高濕的環境之中，而嵌入式網關作為溫室測控系統的核心部分，必須選擇工業級的產品保證其穩定性和可靠性。

本系統選擇基于Linux內核的GT6502嵌入式工業計算機作為嵌入式核心控制模塊。該模塊CPU采用成熟的高性能工業處理器ARM926EJ，且為了保證能達到工業設備需要的穩定性，整板設計采用全工業布線，在材質上選用高品質的PCB板材，穩定的硬件設計能保證系統長時間正常運行。此外，模塊具備多重電源保護，抗靜電、過流、防反接等保護能有效保證在野外等惡劣環境下的可靠運行。

3.2 嵌入式模塊軟件設計

在葉菜溫室測控系統中，嵌入式模塊軟件的主要功能是：①采集實時環境數據，分析過濾后存儲；②實時響應用戶的數據查詢、設備控制等需求；③根據用戶設置和當前環境數據進行自動調控溫室環境。根據嵌入式模塊軟件的功能設計，其程序實現流程如圖5所示。主線程負責子線程的創建與線程資源的回收，所創建的3個子線程分別為：監聽線程、斷線檢測線程及自動控制線程。

（1）監聽線程：接收用戶設備控制、實時數據查詢、配置信息查詢等指令，作出響應后向用戶反饋執行結果；

（2）斷線檢測：檢測設備與云服務器的長連接，若檢測到當前設備斷線，則執行重連操作保證設備一直與服務器保持長連接；

（3）自動控制：收集實時環境數據，分析過濾后存儲，并將當前環境數據輸入到模糊PID控制器中，根據控制的輸出進行溫室環境調控。

3.3 服務器模塊設計

基于高內聚低耦合的軟件設計思想[9]，本系統將服務器模塊按照功能分為通信服務器與數據服務器。通信服務器負責與嵌入式網關、溫室管理平臺的通信。當前服務器應用在農業示范基地，考慮到應用場景可能被拓展，用戶數及設備數可能會增加，通信實現需能夠響應彈性的用戶數及并發需求，實現資源自動分配，所以通信服務器是基于Linux下的C++開發，選用多路I/O復用模型epoll實現通信并發，通過創建線程池的方式實現連接的負載均衡。數據服務器負責環境信息的存儲和歷史數據的查詢，使用HTTP協議實現數據查詢與響應。兩個模塊分開設計，獨立開發，保證通信服務與數據服務互不影響，模塊間的通信使用進程間通信實現。

4 溫室測控系統的效果驗證與分析

為了驗證系統實際運行效果，課題以江蘇省農科院六合農業示范基地為試驗對象進行測試，選取該示范基地中一個連棟生菜溫室為實施地點。該生菜溫室包含4個區域，每個區域包含2個光溫濕三合一傳感器，整個溫室內共有8個三合一傳感器，且具有側窗、內外遮陽、環流風機、水泵等多種執行設備，溫室內還接入了4個高清網絡攝像機便于查看實時視頻。溫室外安裝一個包含光、溫、濕、風速、風向、雨量6種傳感器的氣象站，用于感知室外環境信息。本測試時間為2016年12月12日，選取溫室內環境溫濕度為測試對象，對9：00-16：00的溫濕度調控狀況進行測試。由于當前生菜處于蓮座期，生長最佳的溫度范圍為18～22℃，濕度為70%～80%，因此設定溫度值為20℃，濕度值為75%。將溫濕度設定值輸入系統之后啟動系統的自動控制，由測試數據生成的變化曲線圖如下：

如圖6所示，溫室內溫度變化范圍為17.5～22.3℃，濕度為73.2%～83.1%，由數據可見，系統運行正常并且能夠根據設定值及時響應，保持溫濕度在合理的范圍內，達到了預期的控制效果。

5 結語

構建了基于模糊PID控制器的葉菜溫室測控系統。通過對葉菜生長環境的研究，利用模糊推理對PID控制器的參數進行調整，提升了系統的動態性能，實現了葉菜溫室環境的自動調控。試驗表明，系統運行穩定、響應迅速，具有很強的魯棒性。

參考文獻：

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[9]牛甲.基于模糊控制的溫室環境控制系統的研究[D].西安：西安電子科技大學，2013.

（責任編輯：陳福時）